電磁流量計在氯堿燒堿中的選型與應用

聶永輝（廣西柳化氯堿有限公司 545002）

一、引言

氯堿燒堿生產過程中的液體介質多為腐蝕性較強電解質，如鹽水、鹽酸、燒堿、次氯酸鈉等；這種強腐蝕性生產工藝環境及電磁流量計抗腐蝕方面的優點， 決定了電磁流量計在氯堿燒堿工序中正被廣泛地應用。 為實現流量的準確、可靠測量，節約投資成本，電磁流量計的正確選型顯得尤為重要。 下面，作者就氯堿燒堿生產過程中電磁流量計設計選型及應用方面的體會和經驗作些總結。

二、電磁流量計的工作原理

電磁流量計的測量原理是基于法拉第電磁感應定律： 即導體介質在磁場介質中切割磁力線運動時在其兩端產生感應電動勢。 如圖1 所示， 導電介質在垂直于磁場的非磁性測量管內流動，與流動方向垂直的方向上產生與流量成比例的感應電勢，電動勢的方向按“弗來明右手規則”，其感應電勢E 為：E=KBVD

式中：E——感應電動勢（與流速成正比）；K——比例常數；

B——磁場強度 （線圈電感）；V——測量管內介質的平均流速；

D——電極間距（測量管的內徑）

測量流量時， 其感應電勢通過二個與介質直接接觸的測量電極檢測出來，并通過電纜送至轉換器進行智能化處理，然后在LCD 上顯示或轉換成標準信號4～20mA 和0～1kHz 輸出。

圖一 電磁流量計工作原理圖

表一 氯堿燒堿工序中常用電極材料介紹

三、流量計口徑的確定

電磁流量計能夠測量較寬流量(流速)范圍的流體，通常為流速0.3～10.0m/s；流量計的口徑一般等于工藝管道口徑，亦可小于或大于工藝管道口徑。 流量計口徑的確定主要是根據工藝上的體積流量，結合工藝管道的尺寸，兼顧測量準確性、經濟性和耐用性方面考慮，選擇合適的流量計口徑，使通過傳感器的流體平均流速在合適的范圍內， 推薦使用的流速范圍一般為1.0～5.0m/s。 在這個范圍內，流量計測量精度高、線性好、壓損小，介質對流量計襯里和電極的磨損也相對較小些。 此外，對于含有固體懸浮顆粒的流體介質，推薦使用的流速范圍為1.0～3.0m/s，這樣有助于避免流速過高造成固體懸浮顆粒對流量計襯里和電極的過快磨損，延長使用壽命，如鹽泥流量；而對于易結晶、黏度稍大或有沉積物的流體介質，可適當地提高流速，推薦使用的流速范圍為3.0～5.0m/s， 這樣有助于測量電極的自清潔、 防止電極粘附，如50%燒堿流量。

流速、流量與口徑三者關系如下式：V=354Q/D2

式中：V———流速，m/s；Q———流量，m3/h；D———口徑，mm 。

例如，在燒堿電解工序中，進電解槽的鹽水流量計量程為0～50m3/h，工藝管道口徑為DN100；當電磁流量計的口徑分別選擇DN100 和DN80 時，根據上述公式計算，鹽水的流速分別為1.77 m/s 和2.76m/s；計算結果均在推薦使用的流速范圍，但從經濟性方面考慮， 選擇DN80 口徑的流量計要比選擇DN100 口徑的流量計可節約1/4～1/5 的投資成本，此時，應該選用DN80 口徑的流量計。

四、流量計測量電極、襯里材料的選型及應用

1、測量電極材料的選型及應用

電磁流量計的測量電極是與工藝介質直接接觸的唯一金屬材料， 其作用是與導線連接將測量管中產生的微弱感應電動勢傳輸到轉換器中的檢測單元。 由于電磁流量計的電極部分處于工作磁場中，為防止磁力線在電極上集中，電極材料必須使用非導磁的金屬材料； 并根據工況介質對金屬材料的腐蝕速率（mm/a，即每年被腐蝕掉的金屬厚度）來確定不同的工況介質選擇不同的金屬材料。 下面通過圖表一的方式介紹在氯堿燒堿工序中常用的幾種電極材料及其使用范圍。

表二 常見襯里材料的主要性能及適用范圍

2、測量管襯里材料的選型及應用

電磁流量計正常工作的基本條件之一， 是測量管內壁除電極處外，其它地方的法向電流為零。 為滿足這一條件，最簡單的方法是將導電的金屬測量管內壁和法蘭端面襯以絕緣襯里。 通俗地講，用絕緣襯里的目的是防止感應信號電壓被金屬管短路，可見絕緣襯里在電磁流量計應用中的作用十分重要。 由于被測導電介質的流體種類繁多，它們的物理化學特性也不盡相同，不可能用一種絕緣材料的襯里來滿足所有應用電磁流量計的測量流體介質的物理化學特性要求；因此，在襯里材料的選型上，應重點考慮測量介質對襯里的耐溫度、熱沖擊、高壓、負壓、磨損、腐蝕、粘結、附著等方面的要求。 下面通過圖表二的方式介紹常見的電磁流量計測量管襯里材料的主要性能特點及適用范圍。

五、氯堿燒堿工序中接地環和接地電極的選型及應用

1、接地環和接地電極的作用

電磁流量計在工作過程中檢測到的流量信號電勢極小，通常只有幾個毫伏的電勢信號；而導電流體在任何管道（絕緣或非絕緣）中流動時也會產生電勢，這個電勢不是流量信號本身，它是“干擾信號”；尤其是在導電性能優良的流體中，如鹽水、酸堿溶液等， 其流動過程中產生的干擾信號大小甚至會超過流量信號本身。 這個“干擾信號”在流經電磁流量計測量管時會疊加在流量信號電勢上，從而造成轉換器測量到的流量信號失真。 由于電磁流量計轉換器的輸入放大器通常為差動輸入設計，那么，其中一個“等電位的公共參考地”是必需的，這個“公共參考地”是測量的基礎。 對于電磁流量計的測量原理來說，接地環與接地電極是流量計接地的兩種形式，其作用是一樣的，即通過接地環或接地電極與測量介質直接接觸、 經表殼與轉換器的輸入放大器的“工作地”相連，使得放大器的“工作地”與信號源的“地”連接在一起，共同形成一個等電位的“公共參考地”；以此消除“干擾信號”對流量測量的影響，確保測量結果的準確性。

2、接地環和接地電極的選型與應用

2.1 材料的選型

接地環或接地電極的材料選擇， 原則上應選擇與測量電極相同材料。 在選擇接地環形式接地時，從節約投資成本考慮，接地環的材料亦可選擇價格相對較低、耐腐蝕性稍弱的材料；如在測量鹽水流量中，電磁流量計測量電極的材料應選擇鉭材Ta,但接地環可以選擇價格相對便宜的鈦材Ti。 需要特別說明的是，在選擇不可維修更換的接地電極形式接地時， 降低接地電極材料的耐腐蝕性會降低流量計測量管的整體使用壽命。

2.2 接地形式的選型及應用

作為電磁流量計接地的兩種不同形式， 接地環和接地電極都可以實現等電位的“公共參考地”、 消除干擾的目的，但兩種接地形式在使用過程中又有其各自的優缺點。 選用接地環形式可以保護襯里的翻邊不受損傷，但比較耗材，尤其是在測量鹽水、鹽酸、高溫燒堿等強腐蝕性介質時，對材質的要求很高，多為一些如Ta、Ti、Hc-276 等貴金屬，使用接地環形式“接地”會大大增加投資成本。 生產實踐中，在介質輸送管道為導電的金屬管道、且流量計襯里不需要特別保護的情況， 可在靠近電磁流量計本體兩側的金屬管道或與管道焊接的配對法蘭上焊接 “接地支耳”，以此實現可靠接地。 相反，選用接地電極形式比較省材，

投資成本相對較低，尤其是在氯堿燒堿工序中，多數強腐蝕性介質的輸送管道為非導電性的襯塑管或絕緣塑料管， 不可能通過焊接“接地支耳”的方式實現可靠接地，而只能選擇接地環或接地電極的形式接地，在此情形下，一般應選用接地電極的形式接地； 但由于接地電極一般都安裝固定在電磁流量計測量管的最低點，在輸送管道容易結垢的工況條件下，接地電極會因結垢被覆蓋而失去“接地”的作用，特別是流量計水平安裝時，選用接地電極應予以慎重考慮。 鑒于電解鹽水工藝的特殊性，二次鹽水精制中的電磁流量計，特別是最靠近電解槽的電磁流量計，如進電解槽的鹽水、燒堿和鹽酸流量計，不得選用接地電極形式接地。這是因為，電解槽中的電解質通常有3000～14700A 的直流電流，通過導電的液體介質容易發生漏電現象，“漏電”到達流量計測量管時，會流經接地電極對地放電，使得金屬制作的接地電極發生電化學反應， 從而電化學腐蝕接地電極， 造成接地電極損壞，致使電磁流量計無法正常工作。

六、結論

綜上所述，盡管氯堿燒堿生產過程中的工況條件較為復雜，給電磁流量計的選型和應用帶來了諸多困難；盡管如此，由于我們在儀表選型時很好地了解了工況條件并結合了現場的實際情況，以及在運行期間的精心操作與維護，目前，燒堿工序中在線使用的近50 臺電磁流量計運行狀況良好， 損壞率不超過1 臺/年，確保了燒堿生產安全穩定運行；并持續改進，盡量降低投資成本。

[1] 《羅斯蒙特8732 型電磁流量測量系統參考手冊》 出版：EMERSON Process Management 編 號：00809-0106 出 版 日 期：2008 年5 月

[2] 《電磁流量計選型設計資料》TI01.5 第8 版 出版：上海橫河電機有限公司